Механічна теорія стверджує, що порушення клітин викликається механічною дією кристалів льоду, особливо які знаходяться всередині клітин.

При повільному заморожуванні процес кристалоутворення починається при певній температурі (нижче кріоскопічної) перш за все в міжклітинному та в міжволокновому просторах, які мають більш високу кріоскопічну точку із-за меншої концентрації солей та органічних речовин.

З’явлення кристалів льоду приводить до збільшення концентрації речовин в шарі розчину, що прилягає до поверхні кристалу. Внаслідок різниці концентрацій розчину всередині та назовні клітин виникає відтік вологи із волокон та клітин та наморожування її на поверхні кристалів.

Розширення вологи при перетворенні її в лід приводить до стискання волокон та клітин, що викликає додатковий відтік води із них. Цей процес продовжується до тих пір, доки температура не стане достатньо низькою, щоб почалося кристалоутворення всередині волокон та клітин, де залишається вже невелика кількість вологи в концентрованому розчині.

При швидкому заморожуванні тепловідведення відбувається більш інтенсивно. Перш ніж встигне розвитися міграційний процес, температура всередині волокон і клітин стає достатньо низькою, щоб там відповідно з концентрацією розчину почалося кристалоутворення. Таким чином, швидке заморожування приводить до затвердіння вологи без значного перерозповсюдження її.

Підвищення швидкості замороження скорочує міграцію вологи, викликає утворення великої кількості дрібних кристалів, що рівномірно розміщені як в міжклітинному просторі, так і в самих клітинах.

Якщо температуру знижувати дуже швидко до -120 °С…-160 °С та нижче, кристалізація майже не відбувається. Вода набуває скловидного стану. Температура, при якій швидкість зростання кристалів зменшується, дорівнює приблизно -90 °С.

Склоутворення або вітрифікація являє собою глибоке переохолодження рідини, при якому в ній відсутня кристалічна решітка. Саме вітрифікація обумовлює збереження життєздатності біологічних об’єктів при їх зверхшвидкому заморожуванні.

При скловидному стані тканина набуває деяких властивостей твердого тіла. Це стан менш стійкий в термодинамічному розумінні, тому з часом при невеликому підвищенні температури спостерігається поступовий перехід із скловидного до кристалічного стану, який супроводжується невеликим виділенням тепла (девітрифікація).

При вітрифікації, крім аморфного (скловидного) льоду, утворюється невелика кількість дрібних кристалів льоду, незримих при оптичних методах дослідження. Це явище отримало назву „аморфізація”.

Скловидну масу можна зберегти тільки при температурі нижче-130 °С.

При швидкому нагріванні скловидний стан може перейти в рідкий, минаючи кристалічний. Таким чином, минаючи структурний розпад, який наступає після внутріклітинної кристалізації, а також при внутрішній міграційній перекристалізації після початкового процесу заморожування можна за допомогою зверхшвидкого охолодження попередити загибель клітин та досягнути оборотності процесу, від якого залежить максимальне збереження якості продукту.

Теорія солевої денатурації заснована на тому, що в процесі льодоутворення відбувається перерозповсюдження вологи в тканинах та збільшується концентрація солей в клітинах.

Під дією підвищеної концентрації солей і ряду хімічних колоїдних процесів відбуваються денатураційні зміни білкових речовин.

При повільному заморожуванні концентрація солевих розчинів в продукті вище та час їх впливу більше. А ступень денатурації білків залежить від часу впливання на них гіпертонічних розчинів. При зверхшвидкому заморожуванні цей час зводиться до мінімуму.

Денатурація білків відбувається при температурах, близьких до точки евтектики розчинів та зниженні рН. Зміни величини рН в біологічних об’єктах при заморожуванні приводить до змін активності ферментів і швидкості денатурації білку.

Однак, не завжди швидке заморожування забезпечує високу якість продукту. Так, заморожування деяких видів харчових продуктів (великого об’єму) у кріогенних рідинах протікає з великою швидкістю, але одночасно в продукті дуже сильно підвищується внутрішній тиск замерзлого клітинного соку.

Результат цього – пошкодження зовнішніх переморожених шарів продукту. Збільшення об’єму центральних замерзлих шарів приводить до збільшення внутрішнього тиску в продукті, і, коли щільний, нееластичний зовнішній льодовий шар не може витримувати внутрішній тиск, відбувається розривання продукту.

Швидкість заморожування впливає і на процеси масообміну, що приводять до усихання продукту. Доки на поверхні продукту не почалось льодоутворення, з неї випаровується крапельна – рідка волога, а потім відбувається сублімація льоду, що і веде до його усихання. Втрати води при заморожені коливаються в межах від 0,3 …2% та більше в залежності від температури охолоджуючого середовища, початкової та кінцевої температури продукту, виду сировини, метода та швидкості заморожування, а також специфічних властивостей окремих продуктів.

Масообмін в холодильній камері можна визначати за масою вологи, що засвоєна повітрям в залежності від його температури, тиску та рівноважної вологості повітря:

де Q – кількість теплоти, відтворена за рахунок сухого та вологого теплообміну, кВт;

ε – коефіцієнт вологопереносу;

1/ε – доля теплоти, що витрачена на масообмін;

r(t) – схована теплота випаровування, яка залежить від температури, кВт/кг.

Усихання різко знижується, якщо на поверхні натурального продукту є вологонепроникливий шар (кірочка підсихання, шар жирової тканини). При подрібненні продуктів усихання різко збільшується.

При заморожуванні в паронепроникливій упаковці виключаються втрати водяного пару через шар пакувального матеріалу. Однак, в присутності вільних просторів між упаковкою та продуктом на внутрішній поверхні пакувального матеріалу утворюється іній в результаті конденсації та замерзання водяного пару (внутрішнє усихання).

При будь якому способі і швидкості заморожування в клітинах можуть відбуватися складні зміни, що пов’язані з порушенням її структури. Так, зниження температури продукту до -8…-10 °С супроводжується інтенсивним льодоутворенням і, отже, різким збільшенням концентрації хімічних сполук в рідкій фазі продукту, зменшенням її об’єму, зближенням молекул. При цьому створюються умови для структурних перебудов білкових молекул, виникнення міжмолекулярних реакцій, агрегації. Порушення просторової структури макрочастиць порівнюється з денатурацією, а її зовнішнім виявленням є виділення тканинного соку при розморожуванні.

Процеси денатурації білків при заморожуванні в певному ступені гальмуються фізичними змінами розчину, що утворився, а саме змінами в’язкості, іонної сили, тиску водяних парів і рН. При додаванні деяких речовин (етиленгліколь, цукор, гліцерин) процес денатурації гальмується. Вважається, що ці речовини знижують міцність водневих містків та зв’язків води. При додаванні їх зменшується кількість вимороженої води.

Придатність продукції до заморожування визначається критерієм кріорезистентності, який виражений у відсотках до свіжої сировини за зміною вологовіддачі до та після заморожування продуктів. Цей вид аналізу виконують двома способами: центрифугуванням та за різницею маси заморожених та розморожених продуктів.